NAT网络与内网穿透详解

一、概述

我们家里的局域网内，基本上都用192.168.xx.xx这样的私有IP，如果我们在发送网络包的时候，这么填。对方在回数据包的时候该怎么回？毕竟千家万户人用的都是192.168.0.1，网络怎么知道该发给谁？所以肯定需要将这个192.168.xx私有IP转换成公有IP。
局域网内用的是私有IP，公网用的都是公有IP。一个局域网里的私有IP想访问局域网外的公有IP，必然要做个IP转换，这是在哪里做的转换呢？

答案是NAT设备，全称Network Address Translation，网络地址转换。基本上家用路由器都支持这功能。

二、NAT的工作原理

为了简单，我们假设你很富，你家里分到了一个公网 IP 地址 20.20.20.20，对应配到了你家自带 NAT 功能的家用路由器上，你家里需要上网的设备有很多，比如你的手机，电脑都需要上网，他们构成了一个局域网，用的都是私有 IP，比如192.168.xx。其中你在电脑上执行ifconfig命令，发现家里的电脑IP是192.168.30.5。你要访问的公网 IP 地址是30.30.30.30

当你准备发送数据包的时候，你的电脑内核协议栈就会构造一个IP数据包。这个IP数据包报头里的发送端IP地址填的就是192.168.30.5，接收端IP地址就是30.30.30.30。将数据包发到NAT路由器中。

此时NAT路由器会将IP数据包里的源IP地址修改一下，私有IP地址192.168.30.5改写为公网IP地址20.20.20.20，这叫SNAT（Source Network Address Translation，源地址转换）。并且还会在NAT路由器内部留下一条 192.168.30.5 -> 20.20.20.20的映射记录，这个信息会在后面用到。之后IP数据包经过公网里各个路由器的转发，发到了接收端30.30.30.30，到这里发送流程结束。

如果接收端处理完数据了，需要发一个响应给你的电脑，那就需要将发送端IP地址填上自己的30.30.30.30，将接收端地址填为你的公网IP地址20.20.20.20，发往NAT路由器。NAT路由器收到公网来的消息之后，会检查下自己之前留下的映射信息，发现之前留下了这么一条 192.168.30.5 -> 20.20.20.20记录，就会将这个数据包的目的IP地址修改一下，变成内网IP地址192.168.30.5, 这也叫DNAT（Destination Network Address Translation，目的地址转换）。之后将其转发给你的电脑上。

整个过程下来，NAT悄悄的改了IP数据包的发送和接收端IP地址，但对真正的发送方和接收方来说，他们却对这件事情，一无所知。这就是NAT的工作原理。

三、NAPT的原理

1、概述

到这里，相信大家都有一个很大的疑问。局域网里并不只有一台机器，局域网内每台机器都在 NAT 下留下的映射信息都会是 192.168.xx.xx -> 20.20.20.20，发送消息是没啥事，但接收消息的时候就不知道该回给谁了。
这问题相当致命，因此实际上大部分时候不会使用普通的 NAT。那怎么办呢？问题出在我们没办法区分内网里的多个网络连接。于是乎。我们可以加入其他信息去区分内网里的各个网络连接，很自然就能想到端口。

2、NAPT原理详解

IP数据包（网络层）本身是没有端口信息的。常见的传输层协议TCP和UDP数据报文里才有端口的信息

于是流程就变成了下面这样子。当你准备发送数据包的时候，你的电脑内核协议栈就会先构造一个TCP或者UDP数据报头，里面写入端口号，比如发送端口是5000，接收端口是3000，然后在这个基础上，加入 IP 数据报头，填入发送端和接收端的 IP 地址。那数据包长这样。

3、发送与接收过程

假设，发送端IP地址填的就是192.168.30.5，接收端IP地址就是30.30.30.30。将数据包发到NAT路由器中。此时NAT路由器会将IP数据包里的源IP地址和端口号修改一下，从192.168.30.5:5000改写成20.20.20.20:6000。并且还会在NAT路由器内部留下一条 192.168.30.5:5000 -> 20.20.20.20:6000的映射记录。之后数据包经过公网里各个路由器的转发，发到了接收端30.30.30.30:3000，到这里发送流程结束。

接收端响应时，就会在数据包里填入发送端地址是30.30.30.30:3000，将接收端是20.20.20.20:6000，发往NAT路由器。NAT路由器发现下自己之前留下过这么一条 192.168.30.5:5000 -> 20.20.20.20:6000的记录，就会将这个数据包的目的IP地址和端口修改一下，变回原来的192.168.30.5:5000。之后将其转发给你的电脑上。

如果局域网内有多个设备，他们就会映射到不同的公网端口上，毕竟端口最大可达 65535，完全够用。这样大家都可以相安无事。像这种同时转换 IP 和端口的技术，就是NAPT（Network Address Port Transfer , 网络地址端口转换 ）。

4、ping命令

看到这里，问题就来了。那这么说只有用到端口的网络协议才能被 NAT 识别出来并转发？但这怎么解释ping命令？ping基于 ICMP 协议，而 ICMP 协议报文里并不带端口信息。我依然可以正常的ping通公网机器并收到回包。

实上针对 ICMP 协议，NAT 路由器做了特殊处理。ping 报文头里有个Identifier的信息，它其实指的是放出ping命令的进程id。对 NAT 路由器来说，这个Identifier的作用就跟端口一样。另外，当我们去抓包的时候，就会发现有两个Identifier，一个后面带个BE（Big Endian），另一个带个LE（Little Endian）。其实他们都是同一个数值，只不过大小端不同，读出来的值不一样。就好像同样的数字345，反着读就成了543。这是为了兼容不同操作系统（比如linux和Windows）下大小端不同的情况。

四、内网穿透

1、概述

使用了NAT上网的话，前提得内网机器主动请求公网 IP，这样NAT才能将内网的 IP 端口转成外网 IP 端口。反过来公网的机器想主动请求内网机器，就会被拦在 NAT 路由器上，此时由于 NAT 路由器并没有任何相关的 IP 端口的映射记录，因此也就不会转发数据给内网里的任何一台机器。举个现实中的场景就是，你在你家里的电脑上启动了一个 HTTP 服务，地址是192.168.30.5:5000，此时你在公司办公室里想通过手机去访问一下，却发现访问不了。那问题就来了，有没有办法让外网机器访问到内网的服务？有。大家应该听过一句话叫，“没有什么是加中间层不能解决的，如果有，那就再加一层”。放在这里，依然适用。

说到底，因为 NAT 的存在，我们只能从内网主动发起连接，否则 NAT 设备不会记录相应的映射关系，没有映射关系也就不能转发数据。所以我们就在公网上加一台服务器 x，并暴露一个访问域名，再让内网的服务主动连接服务器 x，这样NAT路由器上就有对应的映射关系。接着，所有人都去访问服务器x，服务器x将数据转发给内网机器，再原路返回响应，这样数据就都通了。这就是所谓的内网穿透。
像上面提到的服务器x，你也不需要自己去搭，已经有很多现成的方案，花钱就完事了，比如花某壳。

到这里，我们就可以回答这个问题：为什么我在公司里访问不了家里的电脑？那是因为家里的电脑在局域网内，局域网和广域网之间有个 NAT 路由器。由于 NAT 路由器的存在，外网服务无法主动连通局域网内的电脑。

2、两个内网的聊天软件如何建立通讯

我家机子是在我们小区的局域网里，班花家的机子也是在她们小区的局域网里。都在局域网里，且 NAT 只能从内网连到外网，那我电脑上登录的QQ是怎么和班花电脑里的QQ连上的呢？

上面这个问法其实是存在个误解，误以为两个 qq 客户端应用是直接建立连接的。然而实际上并不是，两个 qq 客户端之间还隔了一个服务器

也就是说，两个在内网的客户端登录 qq 时都会主动向公网的聊天服务器建立连接，这时两方的 NAT 路由器中都会记录有相应的映射关系。当在其中一个 qq 上发送消息时，数据会先到服务器，再通过服务器转发到另外一个客户端上。反过来也一样，通过这个方式让两台内网的机子进行数据传输。

3、两个内网的应用如何直接建立连接

两端通信，比如 P2P 下载，这种该怎么办呢？这种情况下，其实也还是离不开第三方服务器的帮助。假设还是 A 和 B 两个局域网内的机子，A内网对应的NAT设备叫NAT_A，B内网里的NAT设备叫NAT_B，和一个第三方服务器server。流程如下。

• step1和2: A 主动去连 server，此时 A 对应的NAT_A就会留下 A 的内网地址和外网地址的映射关系，server 也拿到了 A 对应的外网 IP 地址和端口。
• step3和4: B 的操作和 A 一样，主动连第三方 server，NAT_B内留下 B 的内网地址和外网地址的映射关系，然后 server 也拿到了 B 对应的外网 IP 地址和端口。
• step5和step6以及step7: 重点来了。此时 server 发消息给 A，让 A 主动发UDP消息到 B 的外网 IP 地址和端口。此时 NAT_B 收到这个 A 的UDP数据包时，这时候根据 NAT_B 的设置不同，导致这时候有可能 NAT_B 能直接转发数据到 B，那此时 A 和 B 就通了。但也有可能不通，直接丢包，不过丢包没关系，这个操作的目的是给 NAT_A 上留下有关 B 的映射关系。
• step8和step9以及step10: 跟step5一样熟悉的配方，此时 server 再发消息给 B，让 B 主动发UDP消息到 A 的外网 IP 地址和端口。NAT_B 上也留下了关于 A 的映射关系，这时候由于之前 NAT_A 上有过关于 B 的映射关系，此时 NAT_A 就能正常接受 B 的数据包，并将其转发给 A。到这里 A 和 B 就能正常进行数据通信了。这就是所谓的 NAT 打洞。
• step11: 注意，之前我们都是用的 UDP 数据包，目的只是为了在两个局域网的 NAT 上打个洞出来，实际上大部分应用用的都是 TCP 连接，所以，这时候我们还需要在 A 主动向 B 发起 TCP 连接。到此，我们就完成了两端之间的通信。
  
  这里可能会有疑惑，端口已经被udp用过了，TCP再用，那岂不是端口重复占用（address already in use）？其实并不会，端口重复占用的报错常见于两个TCP连接在不使用SO_REUSEADDR的情况下，重复使用了某个IP端口。而UDP和TCP之间却不会报这个错。之所以会有这个错，主要是因为在一个linux内核中，内核收到网络数据时，会通过五元组（传输协议，源IP，目的IP，源端口，目的端口）去唯一确定数据接受者。当五元组都一模一样的时候，内核就不知道该把数据发给谁。而UDP和TCP之间"传输协议"不同，因此五元组也不同，所以也就不会有上面的问题。

 

五、不同类型NAT详解

1 、简介

NAT分为两大类，基本的NAT和NAPT（即端口NAT，英文全称为Network Address/Port Translator）

2、基本NAT与NAPT

基本NAT分为静态NAT、动态NAT：

• 静态转换 （Static Nat） 是指将内部网络的私有IP地址转换为公有IP地址，IP地址对是一一对应的，不变的，某个私有IP地址只转换为某个公有IP地址
• 动态转换 （Dynamic Nat）， 动态转换可以使用多个合法外部地址集，在将内部网络的私有IP地址转换为公用IP地址时，IP地址对是不确定的，而是随机的，其私有IP地址可随机转换为任何指定该地址集内的IP

NAPT又分为锥型（Cone）和对称型（Symmetric）：

• 对于锥形NAT，假设已经有client A用内网的123 port与server A完成通信，并且NAT将公网的456 port分配给client A的123 port，此时若client A再用123 port向server B发起通信，则NAT仍然会将公网的456 port分给client A的123 port
• 对于对称型NAT，仍然假设已经有client A用内网的123 port与server A完成通信，并且NAT将公网的456 port分配给client A的123 port，此时若client A想向server B发起通信，则NAT就不会在将公网的456 port分给client A，比如会将789 port分配给client A
• 对于非对称型NAT与对称型NAT的区别概括为一句话就是：对于非对称型NAT，映射关系与目的地址无关， 只要源地址相同，client内网IP端口与NAT公网IP端口映射关系就相同；而对称的NAT，映射关系还与目的地址有关

3、锥型（Cone）NAT分类

锥形NAT又可分为：完全圆锥体（Full Cone NAT）、受限制的圆锥体（Restricted Cone NAT）、端口受限制的圆锥体NAT（Port Restricted Cone NAT）三种

假设 client A 已经用内网的 123 port 与 server A 完成通信，并且 NAT 将公网的 456 port 分配给 client A 的 123 port，下面举例说明三种锥型NAT定义区别：

• 完全圆锥体（Full Cone NAT）：server B的所有端口都可以直接通过公网的 456 port 与 client A的123 port通信，当然也包括 server A的所有端口
  （对IP、port没有限制）
• 受限制的圆锥体（Restricted Cone NAT）：需要client A已经向server B发送过消息，server B才能够通过公网的 456 port 与 client A 的 123 port 通信，在此前提下，server A、server B的所有端口数据都可以通过公网的 456 port与client A的123 port通信
  （在完全圆锥基础上加了对IP的限制）
• 端口受限制的圆锥体NAT（Port Restricted Cone NAT）：需要client A已经向server B发送过消息，server B的X端口才能通过公网的 456 port 与 client A的123 port通信，注意只有server A、server B的X端口才能与client A的123 port通信，其他端口若想与client A通信需要再单独建立连接
  （在受限制圆锥基础上加了对port的限制）

client A在使用这三种锥型NAT与server A、server B通信时，分配给client A的公网一直是456 port，不会变

4、对称NAT概念的补充

假设有client A的123 port与server A的789 port、server B的789 port，若client A、server A想通信需要：client A的123先向server A的789发送消息

并且分配给client A公网port 为456，则有：server A只能使用789与clientA的123通信，server A的其他端口不能与client A通信；server B若想与client A通信，需要client A先向server B发送消息，并且分配给client A的公网的port不会是456，故打洞困难

5、总结

基本的NAT，它仅将内网主机的私有IP地址转换成公网IP地址，但并不将TCP/UDP端口信息进行转换，有动态与静态之区分。由于现在大部分都属于另一种类型，即NAPT，其中对称NAT打洞困难很高，但是安全性好；而锥型nat打洞比较容易。

实际上大部运营商提供的光猫上网服务都是锥形nat的。而光纤入户，3g 4g网络，公共wifi登因为安全因素都是对称nat，另外目前绝大多数的路由器都是非对称型NAT(Cone NAT)。只要请求链接的对方是非端口限制锥型nat就都能实现打洞p2p链接的。只有双方都是对称是一定无法实现，或一方对称一方是端口限制锥型nat的情况也无法实现打洞。下面是各种类型打洞总结

六、家用网络低延迟方案

1、NAT简单回顾

NAT有4个类型，它们分别是：NAT1、NAT2、NAT3、NAT4

• NAT1: Full Cone NAT，全锥形NAT，这是最宽松的网络环境，你想做什么，基本没啥限制IP和端口都不受限
• NAT2: Address-Restricted Cone NAT，受限锥型NAT，相比NAT1，NAT2增加了地址限制，也就是IP受限，而端口不受限
• NAT3: Port-Restricted Cone NAT，端口受限锥型，相比NAT2，NAT3 增加了端口限制，即IP、端口都受限
• NAT4: Symmetric NAT，对称型NAT，对称型NAT具有端口受限锥型的受限特性，内部地址每一次请求一个特定的外部地址，都会绑定到一个新的端口。这种类型基本上就告别P2P了

从NAT1到NAT4限制越来越多，为了满足各种需求，我们希望提升NAT类型。提升NAT类型的好处有，浏览网页、观看视频、游戏等更顺畅，下载速度更稳定快速，特别是对那些玩游戏的，提升改善NAT类型后联机速度更快，游戏体验明显提高

2、低延迟方案讲解

想要游戏网速快，延迟低，就要nat1，公网，桥接，unpn，硬件nat加速

• 修改光猫工作模式

把光猫工作模式设置为桥接模式(需要超级管理员账号密码，很多都是默认，可以根据地区上网搜索，新款的直接联系维修工人)，修改模式，因为运营商一般默认设置光猫工作在路由模式。无线路由器直接连到猫上就可以上网的，那么光猫是路由模式。无线路由器需要PPPoE拨号上网的就是桥接模式。

• 更改路由器设置

启用无线路由器的uPnP功能，uPnP大部分路由器都支持。把要提升NAT类型的主机IP设置为静态，然后开启DMZ(通过路由器拨号，路由器最好要刷机，然后选择NAT1模式)

3、总结

• 路由器层数越少，越可能得到NAT1和NAT2类型
• NAT1是最宽松的网络环境，基本没限制。NAT4是最严格的网络环境，可能会玩不了游戏、P2P下载都没速度
• 如果光猫是桥接模式，路由器拨号上网的有可能是NAT2和NAT3，对上网、游戏和下载都没有太多限制
• 拨号能获得公网IP的，可以优化到NAT1，拨号获得内网IP基本是NAT4
• 中国电信、中国联通宽带一般是公网IP，中国移动、中国广电、长宽等基本是内网IP。
  因为移动公网ip池比其他运营商少，所以一般都用对称型nat(节约公网ip，因为断开连接就会解绑映射，不过绑定关系的建立和解除会消耗cpu性能，所以移动打游戏时不时跳ping)

七、总结

• IPV4 地址有限，但通过 NAT 路由器，可以使得整个内网 N 多台机器，对外只使用一个公网 IP，大大节省了 IP 资源
• 内网机子主动连接公网 IP，中间的 NAT 会将内网机子的内网 IP 转换为公网 IP，从而实现内网和外网的数据交互
• 普通的 NAT 技术，只会修改网络包中的发送端和接收端 IP 地址，当内网设备较多时，将有可能导致冲突。因此一般都会使用 NAPT 技术，同时修改发送端和接收端的 IP 地址和端口
• 由于 NAT 的存在，公网 IP 是无法访问内网服务的，但通过内网穿透技术，就可以让公网 IP 访问内网服务。一波操作下来，就可以在公司的网络里访问家里的电脑。

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